DE3490684T1

DE3490684T1 - Maschine zum kontinuierlichen Stahlgießen

Info

Publication number: DE3490684T1
Application number: DE19843490684
Authority: DE
Inventors: Cass R. Syracuse N.Y. Kurzinski
Original assignee: AMB Technology, Inc., New York, N.Y.
Priority date: 1981-09-08
Filing date: 1984-03-19
Publication date: 1986-04-24
Also published as: JPH0340654B2; JPS61501440A; US4494594A; WO1985004124A1

Description

AMB TECHNOLOGY, INC., 612 Avenue of the Americas New York, NY 10011, U.S.A.

Maschine zum kontinuierlichen Stahlgießen

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft Maschinen zum kontinuierlichen Gießen von Hochtemperaturmetall und insbesondere Systeme zum Kühlen der Gießform mit versprühtem Wasser und zum oszillierenden Bewegen der darin enthaltenen Gießhülsen.

Stand der Technik

Beim herkömmlichen kontinuierlichen Stahlgießverfahren wird geschmolzener Stahl durch eine vertikal angeordnete, üblicherweise gebogene Kupfergießform gegeben (die typischerweise quadratisch ausgebildet ist, obwohl sie

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auch rechteckig sein kann, wenn Stahlplatten hergestellt werden soll). Wenn der geschmolzene Stahl durch die Gießform strömt, erhärtet seine Außenhaut. Wenn der Stahlstrang weiter erhärtet, wird er durch einen Winkel von 90° gebogen, so daß er sich horizontal weiterbewegt, und anschließend in einzelne Barren geschnitten.

Die Temperatur von geschmolzenem Stahl ist typischerweise 285O°F, obwohl die Temperatur bei gewissen Güteklassen so niedrig wie 260O⁰F sein kann. Obwohl sich die meisten der Hinweise hierin auf Stahlgießen beziehen, betrachtet die Erfindung allgemein das Gießen von jedem Metall oder jeder Metal
übersteigt.

jeder Metallegierung, deren Flüssigkeitstemperatur 26OO°F

Die Gießform, die den Stahlstrang formt, enthält den flüssigen Stahl und sorgt für seine anfängliche Verfestigung, d. h. für das Erhärten der Außenhaut. Der festwerdende Strang wird kontinuierlich dem unteren Ende der Gießform in einer Geschwindigkeit entnommen, die derjenigen des oben hereinkommenden flüssigen Stahls entspricht, wobei die Produktionsgeschwindigkeit durch die Zeit bestimmt wird, die die Außenhaut zum genügenden Erhärten benötigt, um zu dem Zeitpunkt, an dem die Gießform verlassen wird, einen inneren Kern von flüssigem Stahl zu enthalten. Der flüssige Stahl wird in fast allen derzeitigen Gießmaschinen dadurch gekühlt, daß diese mit einem Wassersystem ausgerüstet werden, das Kühlwasser um die Gießform zirkulieren läßt. Das Wasser strömt am Boden eines druckdichten Behälters ein, der die Gießform umgibt und steigt in einer Richtung nach oben, die entgegengesetzt zu derjenigen des strömenden flüssigen Stahls ist. Der "Gegenstrom"-Wasserdurchfluß hat sich als am wirkungsvollsten zum Wärmeaustausch in Maschinen zum kontinuierlichen Stahlgießen herausgestellt,

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Das Kühlwasser steht unter hohem Druck und strömt mit einer hohen Geschwindigkeit, aus Gründen die weiter unten beschrieben werden. Dies macht es erforderlich, daß ein geschlossener, üblicherweise geschweißter, druckdichter Behälter verwendet wird. Die Kupfergießform ist üblicherweise an beiden Enden des druckdichten Behälters befestigt, so daß das Kühlsystem vollständig abgeschlossen ist. Sollte die Gießform an irgendeinem Punkt schmelzen und der flüssige Stahl mit dem Kühlwasser in Berührung kommen, hätte dies eine Dampfexplosion zur Folge. Daher ist es wesentlich, daß dem flüssigen Stahl in der Kupfergießform durch den Wasserfluß genügend Wärme entzogen wird.

Es wurde bisher ein beträchtlicher Arbeitsaufwand geleistet, und es ist viel über den Wärmeaustauschprozeß bekannt, der in dem oben beschriebenen Kühlsystem auftritt. Da die Wärme vom flüssigen Stahl auf das fließende Wasser durch die Wände der Kupfergießform übertragen wird, erhitzt sich ein Teil des Wassers bis zu seinem Siedepunkt. Der resultierende Dampf bildet eine Barriere, die den fortgesetzten Fluß von nennenswerten Mengen Wärme von der Kupfergießform zum Kühlwasser hindurch verhindert. Um die Geschwindigkeit der Wärmeabführung zu erhöhen und den heißen geschmolzenen Stahl daran zu hindern,durch die Kupfergießhülse hindurchzuschmelzen, ist es im allgemeinen von den Fachleuten auf diesem Gebiet anerkannt, daß das einzig verläßliche Verfahren, die Dampfbarriere zu beseitigen,darin besteht, Wasser mit einer hohen Geschwindigkeit entlang der Oberfläche der Kupfergießhülse fließen zu lassen. Es wurde berechnet und im Betrieb bewiesen, daß eine lineare Geschwindigkeit von 20 bis 25 Fuß pro Sekunde für die

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Kühlwasser-Durchflußrate zur Erzeugung von turbulenten Durchflußbedingungen notwendig ist, um die Dampfbarriere wirkungsvoll von der Kupferhülsen-/Wassergrenzfläche wegzuspülen. Vom Standpunkt der Durchführbarkeit erfordert diese Überlegung weiterhin, daß die Schichtdicke des Kühlwassers typischerweise 3/23 Zoll beträgt.

In der zurückgenommenen Anmeldung von Kurzinski et al, Seriennummer 106,894, eingereicht am 27. Dezember 1979, und betitelt "Maschine und Verfahren zum kontinuierlichen Metallgießen", die hiermit durch Bezug eingegliedert ist, ist eine Maschine zum kontinuierlichen Gießen offenbart, deren Kupfergießform am umgebenden Rahmen nur oben befestigt ist. Das untere Ende der Gießform ist nicht am Rahmen befestigt, um das Auswechseln der Gießform zu erleichtern. Da das untere Ende der Gießform nicht am Rahmen befestigt ist, kann ein geschlossenes druckdichtes Kühlsystem um die Gießhülse herum nicht zur Verfügung gestellt werden. Stattdessen wird die Gießform mit Wasserstrahlen besprüht, wobei das Wasser am unteren Ende der Gießform gesammelt wird oder man es zuläßt, daß es entlang des Stranges heruntertropft.

Die Vorteile einer solchen Anordnung werden den Fachleuten auf diesem Gebiet offensichtlich sein, d. h., daß die Wechsel der Gießhülse stark vereinfacht und die Kosten beträchtlich reduziert werden. Das System, das in besagter Anmeldung beschrieben ist, stellte sich jedoch, als es zum ersten Mal getestet wurde, als unpraktisch heraus, zumindest ohne die Verbesserungen, die hier beschrieben sind. Ein ähnliches Sprühkühlsystem wurde in der Ennor et al, US-PS 2,683,294 offenbart, aber das System von Ennor et al wurde zur Verwendung beim

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Gießen von Niedertemperaturmetallen konstruiert. Die Konstruktion von Ennor et al läßt große Bereiche von unbesprühter und damit ungekühlter Gießformoberfläche zu (was von geringer Bedeutung ist, wenn Metalle mit einem niedrigen Schmelzpunkt gegossen werden, aber von großer Bedeutung, wenn Hochtemperaturmetalle gegossen werden). Wenn das geschmolzene Metall eine Temperatur von wenigstens 260O⁰F hat, muß soviel Wärme abgeführt werden, daß das System von Ennor et al uneffektiv und gefährlich ist.

Das Problem besteht darin, daß ein Teil des Sprühwassers zu Dampf wird, wenn es auf die heiße Außenfläche der Gießform trifft und daß der Dampf als Barriere dient, welche die Menge Wasser, die ihn bis zur Gießform durchdringt, beträchtlich verhindert. Bei Experimenten mit kontinuierlichem Gießen in Gießformen aus Kupferlegierungen und Gießen von Hochtemperaturmetallen wurde festgestellt, daß die mechanischen Eigenschaften und die Stabilität der Kupfergießform beträchtlich abnehmen, wenn die Temperaturen auf der Kupfer-/Wassergrenzflache 400°F am Meniskus überschreiten. Dies führt zu schädlichen Folgen für den Gießstrang selbst. Wenn das Kühlmedium nicht direkt auf die Kupfergießform einwirkt oder keine hinreichende Geschwindigkeit entlang der Gießformoberfläche aufweist, um sicherzustellen, daß die Wärme, die innerhalb der Gießform enthalten ist, angemessen abgeführt wird, dann wird die Temperatur der Gießform selbst weiter über die 400°F-Grenze steigen, schließlich den Schmelzpunkt der Gießform selbst erreichen und es dem flüssigen Metall, das gegossen wird, ermöglichen, durch die Gießform hindurchzubrechen und heftig mit dem Kühlmedium zu reagieren. Es schien bei frühen Experimenten, daß die Technik mit Hochdruck und turbulentem Wasserdurchfluß nach dem Stand der Technik

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wesentlich war, um die Dampfbarriere von der Außenfläche der heißen Kupferhülse wegzuspülen.

Im herkömmlichen Gießverfahren ist es notwendig, die Gießform oszillierend zu bewegen, um sicherzustellen, daß das sich verfestigende Metall nicht an der Gießformoberfläche anhaftet. Sich verfestigender Stahl, wird, wenn er an der Kupferhülsenoberflächen anhaftet, die Stahlhaut zum Brechen bringen und die Gießstruktur zerstören. Nach dem Stand der Technik werden Gießformen üblicherweise mit 60 bis 80 Oszillationen pro Minute bewegt, abhängig von Verfestigungsfaktoren, Größe und Austrittsgeschwindigkeit des Stahls, der gegossen wird. Die Oszillationsfrequenz wird üblicherweise erhöht, wenn die Stranggeschwindigkeit steigt. Ein Schmiermittel wie Rapsöl oder eine Pulvermischung mit hohem Schmelpunkt (wobei das letztere häufiger verwendet wird, wenn sehr große Querschnitte gegossen werden, wie diejenigen für Platten und Blöcke) wird entweder automatisch oder manuell auf den Meniskus des flüssigen Stahl in der Gießform aufgebracht. Wenn die Gießformanordnung sich in ihrer oszillierenden Bewegung nach oben bewegt, wird über dem Meniskusniveau neue Kupfergießformfläche freigelegt. Das Schmiermittel haftet auf dieser freigelegten Oberfläche und bildet die Schmierschicht zwischen dem sich verfestigenden Stahlstrang und der Wand der Kupfergießform. Die Schmierschicht dient dem zusätzlichen Zweck, eine Wärmeübertragungsschicht zwischen dem sich verfestigenden Stahl und der Gießformwand zu schaffen, um die Stahlverfestigung zu beschleunigen.

Bei der herkömmlichen Maschine zum kontinuierlichen Stahl-

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gießen nach dem Stand der Technik, in der ein turbulenter Gegenstrom-Wasserdurchfluß dadurch erreicht wird, daß man für eine hohe lineare Durchflußgeschwindigkeit sorgt (typischerweise im Bereich von 20 bis 30 Fuß pro Sekunde), muß die Gießform als eine integrale wasserdichte Hochdruckstruktur mit einer komplexen Reihe von Umlenkmänteln konstruiert sein, um sicherzustellen, daß die notwendigen Durchflußgeschwindigkeiten erreicht werden. Typische Umlenkrohr-Wasserkanal-Konstruktionen erfordern sehr schwere Strukturen. Noch wichtiger ist es, daß das Erfordernis, daß das System druckdicht sein muß, bedeutet, daß das Kühlwassersystern ein integraler Teil der Gießform selbst sein muß. Dies erfordert nun wieder, daß das gesamte Kühlsystem zusammen mit der Gießform oszillierend bewegt werden muß. Das gesamte System kann zwischen 2000 und 4000 Pfund liegen, und um die Gießform wie erforderlich oszillierend zu bewegen, ist die Verwendung eines großen Motors und üblicherweise eines komplexen Systems von Untersetzungsgetrieben, Exzentern, Lagern und angeschlossenen elektrischen Systemen und Instrumentierungssystemen nötig. All dies ist trotz der Tatsache erforderlich, daß der einzige Gegenstand, der oszillierend bewegt werden muß, vom metallurgischen Standpunkt aus, die Gießhülse selbst und ihre Tragekonstruktion ist, deren Gewicht zusammengenommen typischerweise 800 bis 200 Pfund beträgt.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Maschine zum kontinuierlichen Stahlgießen zur Verfügung gestellt, in der die Gießhülse ohne die begleitende Oszillation eines druckdichten Wasserkühlsystems oszillierend bewegt wird,

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und in der die Gießhülse von einem Wassersprühsystem gekühlt wird.

Die Vorteile eines offenen, eine Gießform enthaltenden Systems unter Verwendung einer Wassersprüh-Kühltechnik können nur durch sorgfältiges Auswählen gewisser kritischer Parameter erreicht werden. Es soll angemerkt werden, daß es ein Ziel der Erfindung ist, ein solches System zu konstruieren, das es erlaubt, herkömmliche Untersysteme zu verwenden, d. h. Standardlängen der Gießformen (32¹¹, obwohl längere oder kürzere Gießformlängen erfindungsgemäß gleichermaßen ausführbar sind), Standardleistungen beim Wasserpumpen (150 bis 500 Gallonen pro Minute), usw.. Bei richtiger Wahl der kritischen Parameter hat es sich als durchführbar herausgestellt, daß das hereinkommende Sprühwasser die Dampfbarriere teilweise zerstreut und auch die umgebende Dampftemperatur absenkt, so daß der Dampf kondensiert. Bei Verwendung eines eigenartigen Satzes gewisser kritischer Betriebsgrößen kann ein Wassersprühsystem nicht nur ein zufriedenstellendes Wärmeübertragungssystem darstellen, sondern die Funktion auch wirkungsvoller erfüllen als die bekannte Fließschxchttechnik. Wie unten deutlich werden wird, ist die erhärtete Außenhaut des Stranges am Ausgang einer besprühten Gießform dicker,als sie es in einem vergleichbaren System nach dem Stand der Technik ist, das mit demselben Durchfluß arbeitet. Dies bedeutet, daß der gegossene Strang ohne irgendeinen Qualitätsverlust oder eine erhöhte Gefahr für das Betriebspersonal sogar mit einer schnelleren Geschwindigkeit entnommen werden kann als in einem vergleichbaren System nach dem Stand der Technik.

Die Gießhülse ist an ihrem oberen Ende an einer Träger-

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platte befestigt, und das untere Ende der Hülse ist nicht an irgendeinem Rahmen befestigt. Die Gießhülse umgebend ist eine Reihe von senkrechten Rohren besprühen der Gießhülse über mehrere Düsen vorgesehen. Die relative Anordnung der Düsen zueinander und zur Gießhülse muß sorgfältig kontrolliert werden. Es ist aber offensichtlich, daß, bei Vorliegen eines sauber konstruierten Sprühsystems, das Sprühsystem nicht ein integraler Bestandteil der Gießhülsenstruktur ist. Gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung bewegt sich die Gießhülse, die oben an einer Trägerplatte befestigt ist, einfach oszillierend innerhalb des Sprühsystems. Bei Verwendung eines Sprühsystems in einem offenen Rahmen ist es folglich nur notwendig, die Gießhülse selbst und keinen Teil des Kühlsystems oszillierend zu bewegen. Es ist dieser Aufbau, der es erlaubt, einen leichten kostengünstigen Oszillationsmechanismus zu verwenden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ziele, Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit dem Zeichnungen deutlich, in denen gleiche Bezugszeichen durch mehrere Ansichten hindurch gleiche Teile bezeichnen, und wobei:

Fig. 1 symbolisch eine Gießform und ein umgebendes druckdichtes Wasserkühlsystem nach dem Stand der Technik darstellt;

Fig. 2 dasselbe System nach dem Stand

der Technik darstellt und weiterhin in übertriebener Form die Art und Weise zeigt, in der die Außenhaut des Stranges sich verfestigt;

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Fig. 3 eine veranschaulichende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und dem System nach dem Stand der Technik aus Fig. 2 gegenübergestellt werden soll;

Fig. 4 eine Draufsicht der Vorrichtung von Fig. 3 ist;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Vorrichtung von Fig. 3 ist, die Sprühdüsen zeigt, die in der maximalen Entfernung von der Kupfergießhülse angeordnet sind, und auch die Natur der Dampfbarriere zeigt, auf die oben Bezug genommen wurde;

Fig. 6 die bevorzugte Positionierung der

Sprühdüsen relativ zur Gießhülse darstellt und auch hilfreich beim Verständnis von weiter unten folgenden Hinweisen auf die einzelnen Sprühüberlappungen ist;

Fig. 6A darüber hinaus beim Verständnis hilfreich ist, was mit Sprühüberlappungen gemeint ist; und

Fig. 7 eine perspektivische Draufsicht einer Gießform ist, die das erfindungsgemäße Oszillationssystem für die Gießhülse beinhaltet.

Bester Weg zur Durchführung der Erfindung

Fig. 1 stellt einen Rahmen 10 dar, in den am oberen Ende eine Kupfergießform 12 eingebaut ist. Der Rahmen ist aus A-36-Stahl hergestellt und die Gießhülse aus DHP-Qualitätskupfer. Ein dünner Strom geschmolzenen Stahls 14a wird in die Gießhülse, relativ zur Geschwindigkeit der Verfestigung und Strangentnahme, mit einer solchen Geschwindigkeit gegossen, daß der Meniskus 14b sich im oberen Bereich der Gießform befindet. Da die Gießform sowohl an ihrem oberen als auch an ihrem unteren Ende an dem Rahmen befestigt ist, bilden der Rahmen

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und die Hülse einen druckdichten Behälter (Fig. 1 stellt nicht diejenigen Elemente dar, die für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht notwendig sind, z. B. die Mechanismen zum Gießen des geschmolzenen Stahls in die Gießform, zum Entnehmen des sich verfestigenden
Stranges, usw.). Kaltes Wasser tritt durch das Einlaßrohr 16 am unteren Ende ein, und erhitztes Wasser verläßt das Auslaßrohr 18 am oberen Ende. Ein Umlenkmantel 20 umgibt die Hülse 12, und das Rohrnetz innerhalb des Rahmens 10 (nicht gezeigt) ist so, daß eine Hochgeschwindigkeitsschicht Wasser zwischen der äußeren
Fläche der Hülse 12 und der inneren Fläche des Mantels 20 nach oben strömt. Der Abstand zwischen den beiden
Flächen ist nur 3/32''; der Durchfluß ist turbulent,
um den Dampf, der sich gebildet hat, wegzuspülen. Die
Wärme, die der Gießhülse entzogen wird, bewirkt die
Verfestigung des Stranges 14c, wobei die Verfestigung, wenn der Strang sich nach unten bewegt, weiter nach
innen fortschreitet.

Die Wärmeabführung ganz am oberen und ganz am unteren
Ende der Hülse ist minimal, da der Umlenkmantel 20 nicht das obere und untere Ende der Hülse umgibt. Am oberen und am unteren Ende der Hülse muß jedoch nur relativ wenig Wärme abgeführt werden, und daher besteht in diesen beiden Bereichen nur eine geringe Möglichkeit des Schmelzens der Hülse. Am oberen Ende der Hülse ist kein geschmolzener Stahl enthalten, und die Temperatur des sich bildenden Stranges ist am unteren Ende der Gießform beträchtlich vermindert, typischerweise 215O°F.

Fig. 2 stellt die Art und Weise dar, in der die Außenhaut

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des Stranges erhärtet, wenn er am unteren Ende der Gießform entnommen wird (Fig. 2 zeigt anders als Fig. 1 auch die Verwendung einer leicht gebogenen Gießform, wie es herkömmliche Praxis ist). Der hereinkommende flüssige Stahl kommt zunächst in Berührung mit der kalten Kupfergießform und verfestigt sich augenblicklich, wobei er eine dünne Außenhaut bildet, die den inneren flüssigen Kern umhüllt. Die Kühlwirkung des umlaufenden Wassers bewirkt, daß die Außenhaut sich zusammenzieht und sich von der inneren Wand der Kupfergießform zurückzieht. Aufgrund des fehlenden Kontaktes wird daher weniger Wärme aus dem flüssigen Inneren abgeführt; die hohe Temperatur des inneren flüssigen Stahls bewirkt, daß sich die Außenhaut ausdehnt und wieder in Berührung mit der Wand der Gießform kommt. Sobald der direkte Kontakt wieder hergestellt ist, erfolgt eine weitere Wärmeübertragung auf das Kühlwasser und die Außenhaut zieht sich wieder von der Gießformwand zurück. Das Ausdehnen und Zusammenziehen setzt sich fort, wenn sich der Strang durch die Gießform weiterbewegt. Fig. 2 zeigt die erhärtende Außenhaut 14d des Stranges, wobei die Dicke der Außenhaut von oben nach unten zunimmt (und sich weiter verdickt nach der Entnahme aus der Gießform, da zusätzliche Kühlsysteme, nicht gezeigt, weitere Wärme abführen, bis der Strang sich schließlich vollständig verfestigt). Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist die Außenhaut aufgrund des Ausdehnens und Zusammenziehens des Stranges innerhalb der Gießform nicht in ständigem Kontakt mit der Gießformwand. Die Wärmeabführleistung ist daher geringer, als sie sonst sein würde, und dies führt nun zu einer dünneren Außenhaut am Ausgang und geringerer Abstützung des flüssigen Kerns.

Da die Wahrscheinlichkeit, daß der flüssige Kern nach dem

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Austritt aus der Gießform die Außenhaut wieder schmilzt und aus dem sich verfestigenden Strang ausströmt, direkt proportional zur Außenhautdicke ist, ist die Wahrscheinlichkeit eines Durchschmelzens oder Ausbrechens um so größer, je dünner die Außenhaut ist. Die maximale Gießgeschwindigkeit ist von der Außenhautdicke am Gießformausgang abhängig, da jeder Bereich des Stahls lange genug in der Gießform bleiben muß, damit eine genügend dicke Außenhaut gebildet wird. Gäbe es nicht den Ausdehn-Zusammenzieh-Effekt, könnte die Gießgeschwindigkeit erhöht werden oder, alternierend bei der gleichen Gießgeschwindigkeit, wäre eine dickere Außenhaut am Gießformausgang vorhanden.

Fig. 3 ist eine ähnliche Ansicht wie diejenige von Fig. 2, aber stellt die allgemeinen Prinzipien der Erfindung dar. Die kritischen Parameter werden weiter unten diskutiert, aber im Moment sollte angemerkt werden, daß statt eines Umlenkmantels 20 mehrere Sprührohre 32 vorgesehen sind. Wasser wird diesen Rohren über die Einlasse 30 zugeführt, und Wasser verläßt die Rohre durch die Düsen 34, um Sprühnebel 36 zu bilden. Die Sprühnebel sind auf die Hülse 12 gerichtet. Die Hülse ist am unteren Ende nicht mit dem Rahmen verbunden. Das Bezugszeichen 10a bezeichnet ein Loch im Boden des Rahmens, durch das der Stahlstrang entnommen wird und über dem die Gießhülse lediglich hängt. Diese "freie" Konstruktion, also die Verwendung eines nicht druckdichten Behälters, erlaubt ein schnelles Auswechseln der Gießhülsen.

Wie weiter unten offensichtlich wird, bildet sich um die Hülse herum Dampf, wenn sie mit Wasser besprüht wird. Bei geeigneter Auswahl der Betriebsparameter jedoch drückt das Sprühwasser die Dampfbarriere wirkungsvoll zur Seite,

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so daß der Sprühnebel die Dampfbarriere, die ihm sonst den Weg versperren würde, durchdringen kann. Wenn das Wasser erst einmal auf die Kupferhülse trifft, wird ein Teil davon in Dampf umgewandelt, aber er wird zur Seite gedrückt und auch teilweise durch den kontinuierlichen Sprühnebel kondensiert. Viel von dem Sprühwasser prallt auch einfach von der Kupferhülse ab und wird am Boden des Rahmens (nicht gezeigt) gesammelt, oder man läßt es um den sich verfestigenden Strang herum abtropfen.

Einer der bedeutenden Vorteile des Systems von Fig. 3 besteht darin, daß die Sprühnebel individuell zugeschnitten werden können, um ein variierendes Ausmaß der Wärmeabführung entlang der Kupferhülse zu kontrollieren. Durch das Kontrollieren der Wärmeabführung in dieser Art und Weise kann das Ausdehnen und Zusammenziehen der Außenhaut, die in der Hülse gebildet wird, auf ein Mindestmaß zurückgeführt werden. Wie in Fig. 3 gezeigt, bleibt die Außenhaut während der ganzen Zeit in direktem Kontakt mit der inneren Wand der Kupferhülse. Wegen dieses kontinuierlichen Kontaktes ist die Dicke der Außenhaut am Gießformausgang größer, dieselbe Produktionsgeschwindigkeit für die beiden Systeme der Fig. 2 und 3 vorausgesetzt. Alternierend kann die gleiche Außenhautdicke im System von Fig. 3 bei einer schnelleren Produktionsgeschwindigkeit erreicht werden.

In jedem besonderen System können die einzelnen Sprühnebel durch das Austauschen von Düsen kontrolliert werden, wobei jede Düse eine verschiedene Durchflußrate zuläßt. Die Auswahl der Düsengrößen ist empirisch, aber im allgemeinen wird die Durchflußrate von je zwei aufeinanderfolgenden Düsen, von oben nach unten entweder gleichbleiben oder abnehmen. Wenn mit anderen Worten in einem Diagramm die

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Düsendurchflußrate gegen die Düse, mit einer Düsenrichtung von oben nach unten, aufgetragen würde, würde die Durchflußrate von Düse zu Düse konstant bleiben oder abnehmen. Obwohl die Auswahl der Düsengrößen für einen maximalen Durchsatz noch nicht auf eineFormel reduziert worden ist, sollte die Düsendurchflußraten im allgemeinen so ausgewählt werden, daß die Außenhaut des Stranges in maximalem Kontakt mit dem Inneren der Gießhülse bleibt, wie in Fig. 3 dargestellt.

Es ist auch beabsichtigt, daß die präzise Kontrolle der Wärmeabführleistung entlang der Gießhülse die Qualität des Stranges, der gegossen wird, in Abhängigkeit von Erfordernissen des Endproduktes, beeinflußt. Es kann z.B. möglich sein, die Korngröße und die Oberflächenqualität zu kontrollieren. Bei frühen Experimenten wurde festgestellt, daß die Heftigkeit und die Höhe der Oszillationsmarken für die Gießform vermindert werden können und daß die Zone gleichgerichteten Kornwachstums vergrößert werden kann, beides von bedeutender Wichtigkeit für den Stahlproduzenten.

Fig. 4 ist eine Draufsicht des Systems von Fig. 3, und zeigt die Gießform, die an allen ihren vier Ecken besprüht wird. Obwohl es durchführbar ist, die Flächen der Gießform zu besprühen, ergibt es Vorteile beim Besprühen der Ecken. Die schnelle Bildung einer festen Außenhaut ist wichtig für den Erfolg des kontinuierlichen Gießverfahrens, weil die Außenhaut den inneren flüssigen Stahl abstützt und einen Strangausbruch verhindert, und die stärkste Außenhaut kann bei jeder vorgebenen Gießgeschwindigkeit durch das Konzentrieren der Kühlsprühnebel auf die Ecken der Gießform gebildet werden. Es

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wurde festgestellt, daß bei denselben Gießformgrößen, wie sie nach dem Stand der Technik verwendet werden, und bei denselben Gießgeschwindxgkeiten der austretende Strang nicht nur eine dickere Außenhaut aufweist, sondern daß seine Temperatur nur etwa 195O°F beträgt, im Gegensatz zu 215O°F, wenn eine herkömmliche Gießform verwendet wird. Der Strang ist daher stärker und zeigt ein gleichförmigeres Temperaturprofi1.

Die Fig. 5, 6 und 6A stellen gewisse kritische Parameter gemäß den Prinzipien der Erfindung dar, wobei das geschmolzene Metall in der Hülse 12 allgemein mit 14 bezeichnet wird. An diesem Punkt soll zunächst auf das Patent von Ennor et al, das weiter oben erwähnt ist, Bezug genommen werden. Die Zeichnung in jenem Patent enthüllen, daß die Abdeckung der Gießform mit Sprühnebel nicht vollständig ist und daß es große Bereiche der Gießformoberfläche gibt, die nicht besprüht werden. Das Wasser, das entlang der Oberfläche der Gießform an den unbesprühten Bereichen herunterläuft, besitzt keine hinreichende Geschwindigkeit, um die Dampfbarriere, die erzeugt wird, wegzuspülen. Die Konstruktion von Ennor et al kann nicht zum Gießen von Stahl verwendet werden, weil sie zu einem Durchschmelzen der Gießform führen würde. Tatsächlich betrachteten Ennor et al nicht das Gießen von Metallen und Legierungen mit hohem Schmelzpunkt. Die Fachleute auf diesem Gebiet halten ein Sprühsystem nur bei Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, so wie Aluminium, für anwendbar.

Der erste kritische Parameter betrifft den Abstand zwischen den Düsen 34 und der Gießhülse 12. Abstände unter 1¹¹ sind bevorzugt (ein Abstand von 5/8" ist in Fig. 6 gezeigt), obwohl im allgemeinen der Abstand bis zu 6" groß sein kann,

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aber nicht größer, wie in Fig. 5 gezeigt. Während es möglich sein kann, die Düsen mehr als 6¹¹ von der Gießhülse entfernt anzubringen, sollte der Abstand 6" nicht überschreiten, um sicherzustellen, daß das Kühlsprühwasser bei Maschinen der derzeitigen Größe und bei herkömmlichen WasserpumpsySternen genügend Geschwindigkeit besitzt, um die Dampfbarriere zu durchdringen.

Der zweite Parameter von Interesse ist der Sprühwinkel jeder Düse, d. h. der Winkel, der vom kegelförmig ausgebildeten Sprühnebel auf einer Ebene, die durch die Kegelachse gelegt ist, gebildet wird. Der Winkel zwischen den Linien 36a und 36b in Fig. 5 sollte nicht größer als 110° sein. Wenn ein Sprühwinkel größer als 110° verwendet wird, besitzen die äußeren Bereiche des Wassersprühnebels keine genügende Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Dampfbarriere und können die Barriere nicht durchdringen. Die Dampfbarriere ist symbolisch durch das Bezugszeichen 40 in Fig. 5 bezeichnet. Obwohl der zentrale Teil jedes Sprühnebels auch bei einem größeren Sprühwinkel die Barriere durchdringen kann, könnte das Wasser in den äußeren Bereichen jedes kegelförmig ausgebildeten Sprühnebels die Barriere nicht durchdringen und der Bereich der Kupferhülse, der auf diese Weise nicht gekühlt werden könnte, könnte zu einem Durchschmelzen führen. Im allgemeinen wird ein Sprühwinkel von etwa 80 bevorzugt. Wenn der Sprühwinkel kleiner als 65° ist, müssen die Düsen sehr dicht nebeneinander angebracht werden, um eine richtigte Sprühbedeckung zu erreichen, und dies würde eine komplexere Konstruktion erfordern.

Der dritte Parameter von Wichtigkeit ist die Sprühüberlappung auf der Gießform. Fig. 6 zeigt einen Abstand A

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zwischen den Sprühnebeln an der Stelle, wo die Sprühnebel auf die Kupferhülse 12 treffen. Dies kann als eine "negative" Überlappung angesehen werden, wobei eine negative Überlappung eine Trennung ist. Die maximale Trennung muß auf 1 Zoll begrenzt sein, oder sonst besteht die Gefahr eines Durchschmelzens der Hülse. Wo die Sprühnebel tatsächlich überlappen, wie in Fig. 6A gezeigt, sollte die Überlappung kleiner als 1 Zoll gehalten werden. Es wurde festgestellt, daß, wenn es zu einer größeren Überlappung kommt, die Wassersprühnebel sich gegenseitig stören und die resultierenden Sprühnebelgeschwindigkeiten nicht hinreichend sind, um die Dampfbarriere zu durchdringen. Während der Überlappungsbereich also -1 bis +1 Zoll ist, ist der bevorzugte Bereich O bis 0,5 Zoll.

Ein anderer Parameter von Wichtigkeit ist der Abstand zwischen den Düsen. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Düsen 2,25'' voneinander entfernt. In jedem zweckmäßigen System wird der Düsenabstand durch den Abstand Düse-Gießform, den Sprühwinkel und die Sprühüberlappungsparameter bestimmt.

Ein System, das gemäß den Prinzipien der Erfindung konstruiert wurde, wurde mit einem Standard-Wasserpumpensystem ausgerüstet, das 150 bis 500 Gallonen pro Minute Kühlwasser für eine Gießformlänge der Standardgröße 32'' lieferte. Der Meßdruck an den Düsenausgängen könnte irgendwo in dem Bereich von 40 bis 140 Pfund pro Quadrat-Zoll liegen.

Mit Bezug jetzt auf Fig. 7 soll es sich von selbst verstehen, daß die Zeichnung nur die Gießhülsen-/Wasserkühl-Untersysteme einer Gesamtmaschine zum kontinuierlichen Gießen darstellt.

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Mechanismen zum Gießen von geschmolzenem Stahl in die Gießhülse, zum Transportieren der gegossenen Stränge vom Ausgang der Hülse, usw. sind den Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt. Der Rahmen für das Kühlsystem weist eine Bodenplatte 42 mit einer zentralen Aussparung 42a auf. Einige Seitenwände wie 44 können am Rande der Bodenplatte 42 vorgesehen werden. Es ist nicht notwendig, daß die Seitenwände die Gießhülse 12 vollständig einschließen, obwohl für Abstutzungszwecke wenigstens ein Teil einer Seitenwand entlang jeder Kante der Bodenplatte 42 vorhanden sein sollte. Die Bodenplatte ist an der Gesamtgießmaschine befestigt.

Entlang der oberen Kanten der Seitenwände befindet sich ein Rahmen 46, und an den vier Ecken des Rahmens sind Führungsstifte 48 angebracht. Die obere Platte 50 ist mit vier Löchern 50a an ihren Kanten versehen, so daß die obere Platte in die vier Führungsstifte 48 paßt. Die Führungsstifte dienen dazu, die obere Platte zu führen, wenn sie in einer Auf- und- Ab-Richtung oszillierend bewegt wird. Die Gießhülse 12 ist an einer zentralen Aussparung in der oberen Platte befestigt, so daß die Gießhülse zusammen mit der oberen Platte oszillierend auf- und abbewegt wird.

Vier Rohre 32 (von denen nur eins ganz gezeigt ist) sind in der vertikalen Richtung wie gezeigt angebracht, wobei jedes Rohr eine Reihe von Düsen 34 aufweist. Diese Düsen dienen dazu, die Ecken der Gießhülse mit Kühlwasser zu besprühen, wie weiter oben beschrieben. Der Wassereinlaß 30 für jedes Rohr 32 erstreckt sich durch eine Seitenwand wie die Seitenwand 44.

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Ein Druckluftzylinder 52 (obwohl auch ein hydraulischer Zylinder verwendet werden kann) ist mit einem Bügel 54 an der Seitenwand 44 angebracht. Ein ähnlicher Druckluftzylinder ist in einer vergleichbaren Art und Weise an der Seitenwand (nicht gezeigt) auf der rechten Seite der Zeichnung angebracht. Das Lufteinlaßrohr 56 und das Luftauslaßrohr 58 erstrecken sich vom Druckluftzylinder durch die Wand 44 zur Außenseite des Rahmens. Der Pfeil 60 ist dazu gedacht, eine Druckluftquelle anzuzeigen, wobei die Druckluft, die aus dem Druckluftzylinder entweicht, in der Richtung des Pfeiles 62 austritt. Jeder Druckluftzylinder weist einen Kolben 64 auf, der mit einer Mutter am oberen Rahmen 50 befestigt ist. Eine ähnliche Mutter 66 (nicht gezeigt) ist zur Sicherung des entsprechenden Kolbens an der Unterseite der oberen Platte vorgesehen. Es ist die Anwendung von Luftdruck auf jeden Druckluftzylinder, die es bewirkt, daß der entsprechende Kolben angehoben wird. Das Gewicht der oberen Platte und der Gießhülse zwingt dann den Kolben nach unten und verdrängt während des nach unten gerichteten Teils jeden Kolbenhubes die Luft aus dem entsprechenden Zylinder. Es ist auf diese Art und Weise, daß die obere Platte und die damit verbundene Kupferhülse, die typischerweise 80 bis 200 Pfund wiegen, mit einem relativ einfachen und preiswerten Oszillationsmechanismus oszillierend bewegt werden können. Es ist die Tatsache, daß das Wasserkühlsystem nicht oszillierend bewegt werden muß, da es keine integrale Einheit mit der oberen Platte und der Gießhülse, wie nach dem Stand der Technik, bildet, die die Konstruktion stark vereinfacht. Statt der Verwendung von Druckluftzylindern oder hydraulischen Zylindern wird es in Betracht gezogen, daß auch kleine Motoren zum oszillierenden Bewegen der leichten Last hinreichend sein werden.

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Obwohl die Erfindung in Bezug auf besondere Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll es sich von selbst verstehen, daß diese Ausführungsformen rein veranschaulichend für die Anwendung der Prinzipien der Erfindung sind. Zahlreiche Abänderungen können vorgenommen werden und andere Zusammenstellungen können entworfen werden, ohne den Grundgedanken und den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

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KXM 1183 Ansprüche

1. Maschine zum kontinuierlichen Gießen von Metallen, deren Schmelzpunkttemperatur über etwa 26OO°F liegt, enthaltend: einen Rahmen mit einem Ober- und einem Unterteil; eine vertikal orientierte Gießhülse, die darin angebracht und am oberen Teil des Rahmens befestigt ist; und mehrere Sprüheinrichtungen, die in besagtem Rahmen in vorherbestimmter räumlicher Beziehung zur Gießhülse und zueinander angebracht sind, um Sprühnebel aus Wasser gegen die äußere Oberfläche besagter Gießhülse in ihrem ganzen Umfang so zu lenken, daß besagte Sprühnebel aus Wasser nicht mehr als etwa 1 Zoll überlappen und voneinander nicht mehr als 1 Zoll in der vertikalen Richtung, in der die Sprühnebel die Gießhülse treffen, entfernt sind, und besagte Sprühnebel aus Wasser einen vorbestimmten einbeschriebenen Sprühwinkel und am Ausgang der Sprüheinrichtungen einen solchen Meßdruck aufweisen, daß besagte Sprühwassernebel jede Dampfbarriere oder -schicht zerstreuen, die dazu neigen, sich um besagte Gießhülse herum zu bilden, und gleichzeitig das Kühlen des geschmolzenem Metalls in der Gießhülse zu bewirken.

2. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch beansprucht, wobei:

besagte Gießhülse über Unterteil des Rahmens frei hängt.

3. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei:

der einbeschriebene Winkel jeden Sprühnebels größer als

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etwa 65° ist.

4. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch

3 beansprucht, wobei:

die Spitze jeder Düse von der Außenhülle besagter Gießhülse weniger als etwa 1 Zoll entfernt ist.

5. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch

4 beansprucht, wobei:

in vertikaler Richtung benachbarte Sprühnebel an der Stelle, an der sie die Außenhülle besagter Gießhülse treffen, gegenseitig nicht mehr als etwa 1/2 Zoll überlappen.

6. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch

5 beansprucht, wobei:

die Wasserdurchflußleistung für jede 32 Zoll Gießformlänge im Bereich von 150 bis 500 Gallonen pro Minute liegt.

7. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei:

die Spitze jeder Düse von der Außenhülle der Gießhülse weniger als 1 Zoll entfernt ist.

8. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei:

in vertikaler Richtung benachbarte Sprühnebel an der Stelle, an der sie die Außenhülle der Gießhülse treffen, gegenseitig nicht mehr als 1/2 Zoll überlappen.

.·. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch beansprucht, wobei:

der Meßdruck des SprühWassernebels am Ausgang jeder Düse im Bereich von etwa 40 bis 150 Pfund pro Quadratzoll liegt.

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10. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch beansprucht, wobei:

die Wasserdurchflußleistung für jede 32 Zoll Gießformlänge im Bereich von etwa 150 bis 500 Gallonen pro Minute liegt.

11. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch beansprucht, wobei:

der einbeschriebene Winkel jeden Sprühnebels größer als etwa 65° ist.

12. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch beansprucht, wobei:

die Spitze jeder Düse von der Außenhülle der Gießhülse weniger als etwa 1 Zoll entfernt ist.

13. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch beansprucht, wobei:

in vertikaler Richtung benachbarte Sprühnebel an der Stelle, an der sie die Außenhülle der Gießhülse treffen, gegenseitig nicht mehr als 1/2 Zoll überlappen.

14. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch beansprucht, wobei:

die Wasserdurchflußrate für jede 32 Zoll Gießformlänge im Bereich von etwa 150 bis 500 Gallonen pro Minute liegt.

15. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch beansprucht, wobei:

das Wasser am Ausgang der Sprühnebeldüsen einen Meßdruck im Bereich von etwa 40 Pfund pro Quadratzoll bis zu etwa 150 pro Quadratzoll aufweist; besagte Sprühnebeldüsen von der Gießhülse bis zu etwa 6 Zoll entfernt sind; und

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der einbeschriebene Sprühwinkel jeden Sprühnebels bis zu etwa 110° beträgt.

16. Maschine zum kontinuierlichen Gießen von Metallen, deren Schmelzpunkttemperatur über etwa 26OO°F liegt, enthaltend: ein offenes ortsfestes Gehäuse, das eine Bodenwand mit einer hindurchgehenden öffnung und aufrechtstehende Seitenwände, die von der Bodenwand nach oben ragen, wobei sie ein offenes Oberteil des Gehäuses festlegen, einschließt; wenigstens einen nach oben stehenden Führungsstift auf dem oberen Ende der Seitenwände;

eine Antriebseinrichtung, die von dem offenen Gehäuse getragen wird und bewegliche Teile einschließt, die im Gehäuse nach oben ragen und in einer Auf- und Ab-Richtung relativ zum Gehäuse beweglich sind;

eine bewegliche Deckplatte, die eine hindurchgehende öffnung aufweist und von den beweglichen Teilen zur Auf- und Ab-Bewegung getragen wird, wobei die beweglichen Teile sich in einer Stellung befinden, in der sie das offene Oberteil des Gehäuses überragen, und wenigstens eine Führungsöffnung aufweist, die an dem besagten mindestens einen Führungsstift ausgerichtet ist und den Führungsstift dort hindurch zur Führung der Deckplatte in ihrer Auf- und Ab-Bewegung aufnimmt;

eine Gießhülse mit einem oberen Ende, das zur Auf- und AbBewegung mit der Deckplatte in Deckung mit der öffnung an der Deckplatte befestigt ist, und mit einem freien unteren Ende, das an der öffnung in der Bodenwand ausgerichtet ist; und

Sprüheinrichtungen, die in räumlicher Beziehung um die Gießhülse herum am Gehäuse befestigt sind und im Gehäuse sich nach oben erstrecken, zum Besprühen der äußeren Oberfläche der Gießhülse, um das geschmolzene Metall darin abzukühlen,

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wenn die Gießhülse von den beweglichen Teilen lh einer Auf- und Ab-Richtung relativ zum Gehäuse und zu den Sprüheinrichtungen bewegt wird.

17. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch 16 beansprucht, wobei:

mehrere Führungsstifte vorhanden und an den die Führungsstifte aufnehmenden öffnungen ausgerichtet sind.

18. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch 17 beansprucht, wobei:

die Antriebseinrichtung mehrere Kolben und Zylinder enthält, die an entgegengesetzten Seiten der Gießhülse angeordnet sind; und

die beweglichen Teile Regelstangen enthalten, die mit den Kolben und mit der Deckplatte verbunden sind.

19. Maschine zum kontinuierlichen Gießen, wie in Anspruch 18 beansprucht, wobei:

die Kolben und Zylinder pneumatisch betrieben werden.